放大器的輸入阻抗參數(shù)與應(yīng)用仿真

在非電量測試中，處理傳感器的輸出電信號(hào)是放大器的重要應(yīng)用。由于傳感器輸出阻抗大小不一，在具體設(shè)計(jì)中需要選擇輸入阻抗適合的放大器進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)化，避免因?yàn)樽杩箚栴}導(dǎo)致傳輸信號(hào)失真。本篇將討論輸入阻抗的模型與應(yīng)用。

1. 放大器輸入阻抗模型

電壓反饋型放大器與電流反饋型放大器的輸入阻抗結(jié)構(gòu)完全不同。如圖 2.144（a）為電壓反饋型放大器的輸入阻抗模型，具有差模和共模兩種輸入阻抗，偏置電流從阻抗無限大的電流源流入放大器輸入端。其中，共模輸入阻抗（Zcm+、Zcm–）是放大器任一輸入端與地之間阻抗，Zcm+、Zcm–阻抗值近似相同，數(shù)據(jù)手冊中通常不區(qū)分。差分輸入阻抗(Zdiff-)是放大器的兩個(gè)輸入端之間的阻抗。

圖 2.144 放大器輸入阻抗模型

阻抗呈現(xiàn)電阻與電容并聯(lián)形式，阻值范圍涵蓋為 KΩ級(jí)至 TΩ級(jí)，電容通常為 pF 級(jí)。如圖 2.145 為 ADA4625-1 共模輸入電阻為 1TΩ，共模輸入電容為 11.3pf,差模輸入電阻為 1TΩ，差模輸入電容為 8.6pf。

圖 2.145 ADA4625 輸入阻抗特性

如圖 2.144（b）為電流反饋型放大器的輸入阻抗模型，Z+呈現(xiàn)阻性（KΩ級(jí)至 MΩ級(jí)），并伴有電容，Z- 呈現(xiàn)電抗性（電容、或電感）并伴有 10Ω至 100Ω電阻。

放大器高阻輸入特性是工程師在設(shè)計(jì)中所需要的，尤其在高內(nèi)阻信號(hào)源的網(wǎng)絡(luò)中必須選擇更高輸入阻抗的放大器進(jìn)行信號(hào)源的阻抗轉(zhuǎn)化。2019 年 6 月中旬，筆者接到某地機(jī)器人控制領(lǐng)域工程師的咨詢電話，企業(yè)拓展新業(yè)務(wù)，正在研發(fā)新能源行業(yè)的電池包檢驗(yàn)設(shè)備。工程師使用一款 ADI 公司 24bit ∑Δ型 ADC 設(shè)計(jì) 400V 至 1000V 電池包電壓測試設(shè)備。電路結(jié)構(gòu)如圖 2.146，前端 R1~Rn 是 MΩ級(jí)精密電阻產(chǎn)生分壓，由模擬開關(guān) MUX 控制分壓電阻的阻值，所產(chǎn)生的分壓由 ADC 采樣、量化為數(shù)字信號(hào)輸出到微處理器 MCU 。

圖 2.146 電池包電壓測試電路結(jié)構(gòu)圖

測試中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)問題，其中之一是 ADC 輸入端電壓值與設(shè)計(jì)的理論分壓值相差超過 1V。針對該問題筆者與工程師分析信號(hào)網(wǎng)絡(luò)如圖 1.147（a）。電池與 MΩ級(jí)精密電阻（R1 至 Rn）構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)端口，設(shè)計(jì)輸出電壓為式 2-81。其中產(chǎn)生分壓的阻抗為 Rm+1 至 Rn 電阻之和。

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信號(hào)處理電路的輸入阻抗是模擬開關(guān)阻抗 RMUX 與 ADC 輸入阻抗 RADC 之和。所以，傳感網(wǎng)絡(luò)端口實(shí)際輸出電壓 Vo1 為式 2-82。

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由于模擬開關(guān)阻抗 RMUX 與 ADC 輸入阻抗 RADC 之和小于傳感網(wǎng)絡(luò)端口的分壓阻抗,所以網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)后的端口實(shí)際輸出電壓 Vo1 近似為式 2-83。

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因此筆者推薦使用 ADA4622(參數(shù)如圖 1)作為緩沖器電路在輸入端口進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，如圖 1.147（b）。信號(hào)處理輸入阻抗改善為模擬開關(guān)輸入電阻 RMUX 與放大器共模輸入阻抗 Rcm 之和，信號(hào)處理改善網(wǎng)絡(luò)與傳感網(wǎng)絡(luò)端口連接后的電壓 Vo2 為式 2-84。

圖 1 ADA4622 輸入阻抗參數(shù)

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由于放大器共模輸入阻抗 Rcm 遠(yuǎn)大于傳感網(wǎng)絡(luò)的分壓阻抗，改善后的網(wǎng)絡(luò)端口電壓 Vo2 近似為式 2-85。

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可見，改善后的端口網(wǎng)絡(luò)電壓 Vo2 與所設(shè)計(jì)端口網(wǎng)絡(luò)電壓 Vo 近似相同。后續(xù)工程師使用指標(biāo)近似的某品牌放大器，是的，某品牌，完成驗(yàn)證改善問題！

圖 1.247 戴維南等效網(wǎng)絡(luò)示意圖

2. 輸入電容對閉環(huán)回路帶寬影響與仿真

如上例，在很多應(yīng)用中，工程師僅關(guān)心輸入電阻的大小，而忽略輸入電容的存在。放大器的輸入電容為 pf 級(jí)，在低內(nèi)阻的信號(hào)源網(wǎng)絡(luò)中，放大器的輸入電容不會(huì)對帶寬產(chǎn)生限制。如圖 2.148，當(dāng)信號(hào)源內(nèi)阻為零可以忽略時(shí)，以 ADA4625-1 的同相增益放大電路為例，增益為 100 倍（40dB），該增益處對應(yīng)的 ADA4625-1 的開環(huán)增益曲線滿足 -20dB/ 十倍頻的關(guān)系，通過增益帶寬積計(jì)算電路的閉環(huán)帶寬為：

圖 2.148 考慮輸入電容因素的同相放大電路

在信號(hào)源內(nèi)阻 Rs 為 1MΩ時(shí)，與放大器輸入共模電容構(gòu)成一階 RC 電路，極點(diǎn)為：

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對放大器輸入電容與帶寬關(guān)系仿真之前，先確認(rèn)放大器的模型中是否包含輸入電容參數(shù)。如圖 2.149，ADA4625-1 的 LTspice 的模型中輸入電阻、電容參數(shù)與數(shù)據(jù)手冊相同。

圖 2.149 ADA4625 SPICE 網(wǎng)絡(luò)模型

然后，將 ADA4625-1 設(shè)計(jì)為幅頻特性的仿真電路，如圖 2.150。

圖 2.150 ADA4625-1 同相放大電路幅頻特性仿真電路

當(dāng)信號(hào)源 Vin 內(nèi)阻 Rser 為 0Ω時(shí)，針對幅頻特性進(jìn)行 AC 分析的結(jié)果如圖 2.151。在低頻范圍的閉環(huán)增益為 40dB,閉環(huán)增益下降 3dB(增益為 37.016)的截至帶寬約為 134.834KHz，考慮到數(shù)據(jù)手冊中增益帶寬積測試條件因素，該仿真結(jié)果可以接受。

圖 2.151 低阻抗信號(hào)源激勵(lì) ADA4625-1 電路的幅頻特性 AC 分析結(jié)果

在信號(hào)源 Vin 的內(nèi)阻 Rser 為 1MΩ時(shí)，針對幅頻特性進(jìn)行 AC 分析的結(jié)果如圖 2.152。閉環(huán)增益下降 3dB（37.097dB）截至頻率為 14.5514KHz,仿真結(jié)果近似于理論計(jì)算值 14.08KHz。

圖 2.152 高阻抗信號(hào)源激勵(lì) ADA4625-1 電路的幅頻特性 AC 分析結(jié)果

綜上，在電壓型放大器輸入阻抗參數(shù)分析時(shí)，首先根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)，以及信號(hào)源阻抗的等級(jí)選擇適合輸入電阻的放大器，另外在交流高阻抗的信號(hào)處理電路中需結(jié)合輸入電容因素綜合評估。